DE3320885C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche ist aus der US-PS 43 18 007
bekannt und findet beispielsweise bei Microcomputern Anwendung.
Allgemein gesprochen muß ein Entwickler beim Aufbau eines
Stromquellensystems, das in Parallelschaltung mehrere
Stromquellen enthält, zwei wesentliche Ziele erfüllen. Diese
sind insbesondere Zuverlässigkeit der Stromversorgung
und Erhöhung der Leistung.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels eines
üblichen Stromquellensystems, das Dioden
zum Zusammenschalten zweier Stromquellen
verwendet.
Fig. 1 zeigt zwei parallel betriebene Stromquellen 1
und 2 sowie zwei Dioden D1 und D2. Diese
Dioden D1 und D2 verhindern, daß der Ausgangsstrom einer der
Stromquellen 1, 2 in die andere fließt, wenn die Ausgangsspannung
der einen Stromquelle 1, 2 größer als die
der anderen ist. Solche Dioden D1 und D2 finden sich auch bei der aus der
US-PS 43 18 007 bekannten Anordnung.
Bei dem beschriebenen Parallelbetrieb zweier
Stromquellen 1 und 2 liefert die Stromquelle größerer
Ausgangsspannung (beispielsweise Stromquelle 1)
praktisch 100% des Laststromes. Unter dieser Bedingung
wird im Falle, daß Stromquelle 2 abgeschaltet wird,
die Last nicht beeinflußt, da die Stromquelle
1 nach wie vor Ausgangsstrom an die Last liefert. An
dererseits beginnt im Falle, daß die Stromquelle 1 abgeschaltet wird,
die Stromquelle 2 Strom an die Last
zu liefern. In beiden Fällen wird die Last konstant mit
Laststrom versorgt.
Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß das bekannte
Diodensystem für parallele Stromquellen
vorteilhaft ist, da die Anzahl erforderlicher Bauteile
verhältnismäßig gering ist und sich eine einfache Anordnung
ergibt. Aus folgenden Gründen ist jedoch der Betrieb
eines derartigen Systems nachteilig:
- 1) In der Praxis wird die Differenz zwischen den Ausgangs spannungen der parallelen Stromquellen nie Null werden. Es ist somit schwierig, ein Lastgleichgewicht zwischen den Stromquellen aufrechtzuerhalten; dies bedeutet, daß Laststrom immer nur von einer der Stromquellen geliefert wird. Somit erhöht sich die Temperatur der den Laststrom abgebenden Stromquelle, so daß diese Stromquelle (und somit das Stromquellensystem) insgesamt in seiner Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Da die Zuverlässigkeit des Stromquellensystems von derjenigen Stromquelle abhängt, die den Laststrom liefert, wird die Zuverlässigkeit auch bei Erhöhung der Anzahl von parallel betriebenen Stromquellen nicht verbessert.
- 2) Wird der Parallelbetrieb durchgeführt, um die Ausgangs leistung zu erhöhen, dann reicht die Lastbilanz nicht aus, beide Stromquellen in leitendem Zustand zu halten. Dies bedeutet, daß Strom nur von einer der Stromquellen geliefert wird und daß es notwendig wird, die Leistung des Transistors, der den Strom leitet, zu erhöhen. Es ist somit unmöglich, die Leistung des Transistors durch Verwendung eines Über strom-Schutzsystems zu verringern, das eine besonders günstige Ausgangsspannungs-/Laststrom-Charakteristik für die Stromquelle bietet.
- 3) Die Lastbilanz ist, wie zuvor beschrieben,
unzureichend. Wenn die Stromquellen
derart geschaltet werden, daß eine zuvor nicht leitende
Stromquelle leitend geschaltet wird, dann fällt folglich während
des Schaltens die Ausgangsspannung merklich ab.
Bei der aus der genannten US-PS 43 18 007 bekannten Anordnung werden durch Regelung der Ausgangsspannungen der einzelnen Stromquellen diese Nachteile vermieden, doch wohnen ihr noch die folgenden Nachteile inne: - 4) Aufgrund der Eigenschaften der Dioden D1 und D2 hängt die Ausgangsspannung entweder vom Laststrom oder von der Umgebungstemperatur ab. Dies bedeutet, daß es schwierig ist, die Ausgangsspannung mit hohem Genauigkeitsgrad auf einem konstanten Pegel zu halten.
- 5) Ist der Laststrom hoch, dann ist die Verlustleistung in den Dioden D1 und D2 hoch, so daß der Wirkungsgrad verringert wird.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten bekannten
Stromquellensystems, das als "Master-Slave-System"
bekannt ist.
Die Fig. 2 zeigt eine Hauptstromquelle M, eine abhängige
Stromquelle S, Ausgangsspannungs-Regeltransistoren
Tr1 und Tr2, Fehlerverstärker A1 und A2, eine
Zenerdiode ZD1 zum Zuführen einer Bezugsspannung und Ausgangsstrom-
Meßwiderstände R14 und R24.
Die Hauptstromquelle M ist eine normale spannungsstabilisierte
Stromquelle. In der Hauptstromquelle M wird die
Leitfähigkeit des Transistors Tr1 durch das Ausgangssignal des
Fehlerverstärkers A1 derart gesteuert, daß eine an den
invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers A1 angelegte
Spannung
(d. h. Vc=R13 · E₀/(R12+R13))
gleich ist einer
an den nichtinvertierenden Eingang angelegten Spannung, d. h.
der Bezugsspannung VZD1, wodurch die Ausgangsspannung E₀
konstant gehalten wird.
In der abhängigen Stromquelle S wird das Ausgangssignal
des Fehlerverstärkers A2 zum Steuern der Leitfähigkeit des Tran
sistors Tr2 derart verwendet, daß eine an den nicht invertierenden
Eingang des Verstärkers A2 angelegte Spannung (d. h.
die Spannung an Punkt b) gleich ist einer an den invertierenden
Eingang angelegten Spannung (d. h. der Spannung am
Punkt a), wodurch die Ausgangsspannung E₀ konstant gehalten
wird. Ist somit die Spannung am Punkt a gleich derjenigen
am Punkt b, so gilt folgende Gleichung:
i₂ · R24=i₁ · R14 (1)
wobei i₁ der von der Hauptstromquelle M der Last zugeführte
Strom und i₂ der von der abhängigen Stromquelle S
zugeführte Strom ist.
Wählt man R24=R14, dann ist i₂=i₁. Dies bedeutet, daß
der der Last von der Hauptstromquelle M zugeführte Strom
gleich dem Strom ist, der der Last von der abhängigen
Stromquelle S zugeführt wird. Auf diese Weise werden
einige Nachteile des Diodensystems gemäß Fig. 1
vermieden.
Das Master-Slave-System hat jedoch folgende
Nachteile:
- 1. Wird eine abhängige Stromquelle deaktiviert, dann fließt immer noch Strom entweder von einer anderen abhängigen Stromquelle oder von der Hauptstromquelle. Wird jedoch die Hauptstromquelle deaktiviert, dann werden auch ihre abhängigen Stromquellen abgeschal tet. Somit hängt die Zuverlässigkeit des Stromquellen systems allein von der Hauptstromquelle ab. Bei einem derartigen Stromquellensystem kann zwar die Ausgangsleistung durch Erhöhen der Anzahl der abhängigen Stromquellen erhöht werden, es kann jedoch die Zuverlässigkeit des Stromquellensystems nicht verbessert werden.
- 2. Die Hauptstromquelle besitzt eine andere Schaltungs anordnung als die abhängige Stromquelle. Verglichen mit dem Fall, wo Hauptstromquelle und abhängige Stromquellen eine gleiche Schaltungsanordnung haben ist das Master-Slave-System nicht für die Massenproduktion geeignet. Es ist somit schwierig, die Kosten für die Her stellung und die Wartung eines derartigen parallelen Stromquellenaufbaus zu verringern.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art
anzugeben, bei der
die Ausgangsleistung erhöht und die Zuverlässigkeit
verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen nachstehend beschrieben. Es zei
gen
Fig. 1 ein Schaltbild mit parallel geschalteten
Stromquellen, die gemäß dem bekannten
Diodensystem verbunden sind,
Fig. 2 ein Schaltbild parallel geschalteter Stromquellen,
die in der bekannten Master-Slave-Art
verbunden sind, und
Fig. 3 ein Schaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
Fig. 3 zeigt stabilisierte Stromquellen 1, 2. . .
N mit äquivalentem Aufbau, d. h. ein paralleles Betriebssystem
mit N Stromquellen. Die positiven Ausgänge (+)
bzw. die negativen Ausgänge (-) der Stromquellen 1, 2. . . N sind
jeweils miteinander verbunden. Die Stromquellen 1, 2. . . N sind
auch miteinander über eine gemeinsame Sammelleitung (Verbindungspunkt) B verbunden.
Die Stromquelle 1 besitzt einen
Regeltransistor Tr1 zur Regelung eines Ausgangs
stroms i₁ und damit einer Ausgangsspannung E₀, einen ersten Differenz
verstärker A13, einen Spannungsfolger A12, der hier
als Impedanzwandler dient, einen zweiten Differenz-Verstärker
A11, einen Widerstand R11, einen
Ausgangsstrom-Meßwiderstand R15 und eine Zenerdiode
ZD1 zum Erzeugen einer Bezugsspannung.
Der Aufbau der Stromquellen 2 bis N ist identisch mit
der vorgeschriebenen Anordnung der Stromquelle 1. Wenn
die Eingangsimpedanz eines der zweiten Differenzverstärker A11,
A21. . . , AN1 wesentlich größer ist als der Widerstand
R11, R21, . . . RN1, ist
es nicht erforderlich, Spannungsfolger A12, A22, . . . AN2
vorzusehen.
Wird nur eine der Stromquellen 1, 2. . . N, beispielsweise Stromquelle
1, betrieben, dann kann ihre Ausgangsspannung E₀
durch folgende Gleichung dargestellt werden, die ähnlich
derjenigen des bekannten Systems in Fig. 2 ist:
wobei VZD1 die Zenerspannung der Zenerdiode ZD1 ist.
Weicht die Ausgangsspannung von diesem Wert ab, dann
wird eine Differenzspannung Vi1 entsprechend der Spannungs
abweichung vom ersten Differenzverstärker A13 güber den Widerstand R11
am den Spannungsfolger
A12 angelegt. Dieser gibt eine Steuerspannung Vis1
als Einstellwert des Ausgangsstromes ab, die sich proportional
der Spannungsabweichung ändert und über den zweiten
Differenzverstärker A11 den Regeltransistor Tr1 derart steuert, daß die vom Ausgangs
strom i₁ der Stromquelle 1 über dem Meßwiderstand R15 erzeugte
Spannung i₁R₁₅ mit der Steuerspannung
Vis1 übereinstimmt. Somit wird
die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und der Bezugsspannung
durch Nachstellen der Ausgangsspannung E₀ beseitigt.
Der am Widerstand R₁₅ auftretende Spannungsabfall
i₁R₁₅ liegt im Bereich zwischen
einigen zehn und 100 mV. Dies ist ausreichend klein,
verglichen mit der Ausgangsspannung E und der Spannungs
abweichung und somit ist es möglich, die Auswirkung
dieses Spannungsabfalls über dem Meß
widerstand R₁₅ auf die Ausgangsspannung E zu vernachlässigen.
Es sei nun der Fall betrachtet, daß N Stromquellen
einander parallelgeschaltet sind, wie dies Fig. 3 zeigt.
Die Stromquellen 1, 2. . . N, d. h. die Regeltransistoren Tr1, Tr2 . . . TrN,
werden so gesteuert, daß den Steuerspannungen Vis
gleiche Spannungen an den positiven Eingang der zweiten Differenz
verstärker A11, A21. . . AN1 angelegt werden, um die Aus
gangsspannungen entsprechend einzustellen. Werden N-
Stromquellen parallel betrieben, dann sind jedoch die
Steuerspannungen, die den zweiten Differenzverstärkern A11, A21. . . AN1
zugeführt werden, von denjenigen verschieden,
die beim Betrieb einer einzigen Stromquelle erzeugt
werden. Diese Steuerspannungen ergeben sich durch
Mittelung der Differenzspannungen der Stromquellen
1, 2. . . N über die Widerstände R11, R21, . . .
und RN1, die miteinander durch die gemeinsame Sammelleitung
B verbunden sind.
Werden die Differenzspannungen in
den Stromquellen 1, 2 . . . N durch Vi1, Vi2 . . . uns ViN und die
Eingangsimpedanzen der Spannungsfolger A12, A22 . . . AN2 durch Zi1, Zi2, . . .
und ZiN dargestellt, dann ist die Steuerspannung
Vis1 an einer Eingangsklemme des zweiten Differenzver
stärkers A11 der Stromquelle 1 definiert
durch die Gleichung:
wobei Zi=Zi1/ /Z₁₂/ / . . . / /ZiN
R1/ /R2 bedeutet
Gleichung (3) kann dann
nach dem Prinzip der Überlagerung berechnet werden. Der
Rechenvorgang soll nicht in seiner ganzen Länge und Vollständigkeit
beschrieben werden, er ist dem Fachmann
wohlbekannt.
Ist R11=R21= . . . RN1=R und ist die Eingangsimpedanz
jedes der Spannungsfolger V12, A22, . . . und AN2 wesentlich
höher als der Widerstandswert R, dann kann die obige
Gleichung umgeschrieben werden wie folgt:
Vis1=N(Vi1+Vi2+ . . . +ViN) (4)
Somit ist die Steuerspannung für die
Stromquelle 1 der Mittelwert der Differenzspannungen
aller Stromquellen 1, 2. . . N. Da ferner
die Steuerspannung bei allen Stromquellen 1 bis N
gleich
ist, sind die Stromquellen
1, 2 . . . N gleichmäßig belastet. Somit ist der Temperaturanstieg bei
allen Stromquellen gleich. Auch sind die Temperatur
anstiege klein verglichen zu denjenigen bei dem Diodensystem.
Es ergibt sich somit ein Parallelbetriebs
system mit einem höheren Grad an Zuverlässigkeit.
Wird die Summe der Ausgangsströme der N Stromquellen
im Parallelbetrieb mit I bezeichnet, dann ist der Ausgangswert
jeder Stromquelle I/N. Wird eine der N Stromquellen
deaktiviert, dann erhöhen alle übrigen (N-1)
Stromquellen ihren Ausgangsstrom um I/N(N-1), um den Ausfall
der deaktivierten Stromquelle zu kompensieren.
Ist somit der Ausgangswert jeder der Stromquellen
gleich
dann wird eine Stromquelle bei ihrer Deaktivierung
durch die anderen ersetzt. Wird die Anzahl N der Stromquellen,
die parallel betrieben werden, weiter erhöht, dann
ergibt sich ein sehr zuverlässiges Stromquellensystem.
Selbst wenn mehrere Stromquellen deaktiviert werden,
übernehmen die übrigen Stromquellen die Last.
Falls es nicht erforderlich ist, daß eine oder mehrere abge
schaltete Stromquellen durch die anderen ersetzt werden,
kann das Stromquellensystem den maximalen
Ausgangsstrom von N×i (wobei i der maximale Ausgangsstrom pro Stromquelle
ist) abgeben. Somit kann die Ausgangsleistung
des Stromquellensystems durch Hinzufügen von soviel
Stromquellen erhöht werden, wie erforderlich sind.
Es ist auch möglich, die Ausgangsleistung des Stromquellen
systems mit Übenahmefunktion zu erhöhen, wie dies
zuvor beschrieben wird.
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zur Stromversorgung einer Last mit
Hilfe mehrerer parallelgeschalteter,
spannungsstabilisierter Stromquellen, in denen jeweils eine
aus der Ausgangsspannung der betreffenden Stromquelle
abgeleitete Spannung in einem ersten Differenzverstärker mit
einer Bezugsspannung verglichen und aus der
Differenzspannung eine Steuergröße zum Regeln der
Ausgangsspannung der betreffenden Stromquelle abgeleitet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgänge der ersten
Differenzverstärker (A13, A23 . . . AN3) aller Stromquellen (1, 2 . . . N) über
jeweils einen Widerstand (R11, R21 . . . RN1) miteinander
verbunden sind (Verbindungspunkt B) und in jeder Stromquelle (1, 2 . . . N) die an dem
Verbindungspunkt (B) anliegende Spannung in einem zweiten
Differenzverstärker (A11, A21 . . . AN1) mit einer dem Laststrom
duch die betreffende Stromquelle (1, 2 . . . N) proportionalen Spannung verglichen
wird und die so erhaltene Differenzspannung die Steuergröße
ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungspunkt (B) und
die zweiten Differenzverstärker (A1, A21 . . . AN1) jeweils ein
Spannungsfolger (A12, A22 . . . AN2) geschaltet ist.
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |